ATP驱动蛋白质分子构象动力学理论研究和模拟

ATP驱动蛋白质构象变化对调节生物体内物质、能量和信号的转递以及细胞周期起着至关重要的作用。分子动力学模拟对在原子水平上理解ＡＴＰ与蛋白质相互作用的分子机制提供了一个非常有价值的研究工具。然而，ＡＴＰ驱动蛋白质体系往往含有数万乃至数十万的原子，其构象变化的特征时间多是微秒到秒的量级，远远超出当今计算机的能力。至今，这种在分子动力学模拟中存在的长时间尺度问题仍然没有得到解决。.本项目将抓住ＡＴＰ驱动蛋白质分子构象变化动力学的根本特征，对蛋白质分子进行新的多尺度建模，从而既可以在微观原子尺度上研究ATP与蛋白质相互作用，又能把微观信息传递到在介观上描述蛋白质构象态之间跃迁的动力学，进而使理论计算可以解释单分子实验结果并有预测能力。本项目也将为长期存在于分子动力学模拟研究中的长时间尺度问题提供一个可能的解决途径。

本项目对ATP驱动蛋白质体系实现了在量子力学（QM）、分子力学（MM）和粗粒化（CG）不同层次上建立了多尺度建模，并实现了粗粒化-分子动力学（CG-MD）计算机模拟和QM/MM的计算，具体地报告如下.1. 改善了目前粗粒化分子力场，实现对ABC输出蛋白质（ABC exporters）粗粒化建模，并成功实现了对ABC输出蛋白质进行了CG-MD计算机模拟。通过GC-MD 动力学模拟和伞状采样(umbrella sampling) 计算了自由能沿构象变化反应坐标的变化，通过对轨线的详细分析，得出了ABC输出蛋白大尺度“开”“合”门控（gating）动力学机理，并清晰地描述了化学能到机械能的传递途径。.2. 我们实现了对ABC蛋白质ATP结合区域（NBD）QM/MM 建模，利用QM/MM nudged elastic band （NEB）方法计算沿ATP水解反应途径的自由能（PMF）变化 ，首次研究了麦芽糖ABC输运酶催化ATP水解反应机理。.3. 我们发展应用了QM/MM NEB方法首先研究了ATP在水环境中的水解反应机理，与先前的研究相比，我们不仅得到更为接近实验结果的活化能，而且得到产物自由能比反应物低6.9kcal/mol (实验结果：7.3kcal/mol)。而以前的理论计算研究都得出产物比反应物自由能高（即ATP是吸热）的结论。由于我们采用了更为合理的方法，我们得到了更为全面的对ATP水解机理的理解。.4. 通过粗粒化建模，我们模拟的有效时间可达50μs，基本上能描述ABC 催化ATP水解产物释放后，ABC输运蛋白构象态之间变化的基本特征。